毫米波技術(shù)需要高度線性、緊湊和高能效的寬帶產(chǎn)品

5G 通信正在改變我們的生活，同時(shí)也在促進(jìn)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，為工業(yè)、汽車和消費(fèi)電子等行業(yè)提供了巨大的應(yīng)用想象空間與市場(chǎng)機(jī)會(huì)，例如實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建人與機(jī)器人和諧共存的環(huán)境，高質(zhì)量醫(yī)療，并且加速實(shí)現(xiàn)安全的自動(dòng)駕駛汽車，等等。

● 打造未來智能工廠——5G 無線網(wǎng)絡(luò)可以幫助工廠實(shí)現(xiàn)更高的可靠性，例如縮短延遲時(shí)間、提高生產(chǎn)效率。在人與機(jī)器人共存的世界里，更強(qiáng)的連接可以改善人機(jī)互動(dòng)，并降低事故風(fēng)險(xiǎn)。

● 提供高質(zhì)量的醫(yī)療服務(wù)——通用5G 連接可以借助可穿戴生物傳感器對(duì)患者實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，進(jìn)行生命體征檢測(cè)，并將信息傳輸給基于云的診斷引擎。通過接收、解析信息，在出現(xiàn)異常信號(hào)時(shí)能夠迅速采取行動(dòng)挽救生命。

● 推動(dòng)全自動(dòng)駕駛汽車的發(fā)展——5G 的低延時(shí)和高帶寬可以做到將車輛外的信息，例如車流模式、路上行人、其他車輛，甚至路況等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)綜合分析和快速自動(dòng)決策。由此，可減少汽車事故和提升交通通行效率。

● 提升自然資源行業(yè)信息化水平——以水質(zhì)監(jiān)測(cè)為例，利用5G 通信技術(shù)可以實(shí)時(shí)采集水域信息并生成采樣報(bào)告及檢測(cè)報(bào)告，徹底改變傳統(tǒng)水文測(cè)量、水質(zhì)采樣監(jiān)測(cè)和環(huán)境執(zhí)法巡邏等水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)監(jiān)管模式。此外，5G 技術(shù)還將有助于提高災(zāi)害事故監(jiān)測(cè)感知能力，例如對(duì)洪水、地震和泥石流的來臨及時(shí)發(fā)出預(yù)警。

解勇(ADI通信基礎(chǔ)設(shè)施事業(yè)部中國(guó)區(qū)戰(zhàn)略市場(chǎng)經(jīng)理)

隨著5G 領(lǐng)域?qū)ι漕l前端產(chǎn)品需求的不斷增加，設(shè)備開發(fā)的技術(shù)挑戰(zhàn)可總結(jié)為更小的體積、更低的功耗和更低的成本要求。ADI 公司提倡通過系統(tǒng)級(jí)方法解決5G 功耗難題，例如我們可以基于減少或消除濾波器及其他無源要素的無線電架構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建，得到一個(gè)綜合性能出色的解決方案。ADI 創(chuàng)建了一種軟件定義無線電收發(fā)器的全新通信架構(gòu)，將復(fù)雜的信號(hào)鏈集成到一個(gè)芯片中，該架構(gòu)可以將無線電中每通道的尺寸減小至1/10，功耗降低50%，可以用作在5G 系統(tǒng)所需更高性能的射頻拉遠(yuǎn)單元中。同時(shí)，ADI 還一直致力于開發(fā)創(chuàng)新性的高性能低功耗的數(shù)字預(yù)失真（DPD）算法，并集成于射頻收發(fā)器產(chǎn)品中，以提升PA 效率，降低整體系統(tǒng)功耗和成本。另外，為實(shí)現(xiàn)5G 基站的節(jié)能降耗，ADI 的最新集成收發(fā)器產(chǎn)品還支持不同的節(jié)電模式，如芯片待機(jī)模式、關(guān)斷模式，等等。

因此，ADI 公司基于零中頻架構(gòu)的集成CMOS 無線電收發(fā)器產(chǎn)品，在帶來高集成度的同時(shí)顯著改善了整體無線電系統(tǒng)的大小、重量和功耗。此外，ADI 公司還提供用于無線電前端信號(hào)鏈的各種高性能的RF 器件系列、精密監(jiān)測(cè)和控制產(chǎn)品以及高效電源管理電路。

另一方面，5G 在基站端的無線解決方案對(duì)各類器件的要求基本上都有尺寸、功耗、性能和成本幾個(gè)維度。

對(duì)于Sub-6 GHz 的大規(guī)模MIMO 宏基站來說，集成度和功耗要求更高，ADI 的ADRV9026/9 和ADRF5515A系列產(chǎn)品是業(yè)界領(lǐng)先的系統(tǒng)解決方案；對(duì)于小基站，ADRV9029 內(nèi)置DPD 和CFR 功能可以完美解決功耗和成本的苛刻要求；而對(duì)于毫米波相控天線陣，前面提到的MxFE，UDC 和BF 信號(hào)鏈器件可以提供超大帶寬，高集成度和高性能的混合相控陣列解決方案。

1 毫米波的新挑戰(zhàn)

5G 生態(tài)系統(tǒng)采用以更低延遲、更快創(chuàng)建連接的技術(shù)構(gòu)建，如毫米波、大規(guī)模MIMO 和自適應(yīng)波束成形等新技術(shù)，同時(shí)5G 比前幾代技術(shù)實(shí)現(xiàn)更多數(shù)量設(shè)備的連接。這些應(yīng)用帶來極具挑戰(zhàn)的全新器件需求，要求測(cè)試與測(cè)量設(shè)備具備兩項(xiàng)關(guān)鍵性能：在更寬頻譜范圍內(nèi)（包括28 GHz 和39 GHz 毫米波）測(cè)量性能；對(duì)過去無法超越的帶寬（>1 GHz）以更高的信噪比進(jìn)行測(cè)量。

一般來說，毫米波是指30-300 GHz 之間的射頻頻段。高頻毫米波主要技術(shù)特點(diǎn)為頻段寬，適用于各種寬頻信號(hào)處理。其天線尺寸小，波束窄，方向性好，空間分辨率高。但其缺點(diǎn)則是易受大氣衰減和吸收的影響，在空間傳播很容易被阻擋和吸收，因此實(shí)際作用距離不可能太遠(yuǎn)。

目前毫米波在無線通訊領(lǐng)域的應(yīng)用目前主要考慮兩種常見的場(chǎng)景。一個(gè)是郊區(qū)，我們稱之為“固定無線接入”，它能通過空中向家庭或辦公室提供帶寬非常寬的信號(hào)。第二個(gè)場(chǎng)景，稱之為“密集市區(qū)”，它可能不會(huì)覆蓋很大的區(qū)域，但是可能要穿透建筑物上的玻璃，這是一個(gè)挑戰(zhàn)。

隨著毫米波解決方案性能和成本的不斷優(yōu)化，其商業(yè)發(fā)展?jié)摿€是很大的。毫米波正在讓5G 的邊界快速擴(kuò)大，利用毫米波技術(shù)優(yōu)勢(shì)，傳媒行業(yè)將迎來更多變革，網(wǎng)絡(luò)直播、高清視頻將帶來革命性體驗(yàn)。未來，毫米波由于設(shè)備小、易于部署、容量極大、隨著技術(shù)的更新可以提供單點(diǎn)超過10 Gbit/s 的速率能力，為應(yīng)用提供了非常好的傳送能力，將加速更逼真影像技術(shù)的產(chǎn)生，如全息通信、沉浸式VR 云游戲、網(wǎng)聯(lián)機(jī)器人等業(yè)務(wù)。

隨著全球毫米波5G 部署的加速，運(yùn)營(yíng)商面臨更大壓力，既需要降低推廣成本，同時(shí)還要用更節(jié)能、更輕便、更可靠的無線電產(chǎn)品擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。這就需要高度線性、緊湊和高能效的寬帶產(chǎn)品，在不犧牲質(zhì)量和性能的情況下允許多頻段設(shè)計(jì)復(fù)用。無論是GaAs、GaN、SiGe 還是CMOS 在5G 毫米波中都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和相關(guān)應(yīng)用機(jī)會(huì)。ADI 高集成度高性能5G 毫米波前端芯片組包括兩個(gè)單通道(1T1R) 上/下變頻器(UDC)ADMV1128 和ADMV1139，以及兩個(gè)雙極化16 通道波束成形（BF）器件ADMV4828 和ADMV4928，采用了先進(jìn)的CMOS 工藝。與其它解決方案相比，該波束成形器提供的功率效率和線性輸出功率使毫米波相控陣設(shè)計(jì)的尺寸、重量、功率和成本得以降低。該全頻段上/下變頻器具有高驅(qū)動(dòng)電平，不需要提供不同頻段的多種型號(hào)，并合并了驅(qū)動(dòng)級(jí)，節(jié)省了物料成本。

2 第三代半導(dǎo)體的價(jià)值

為了滿足全頻譜覆蓋能力，業(yè)界努力探索各種創(chuàng)新的半導(dǎo)體材料和工藝技術(shù)。硅鍺（SiGe）技術(shù)采用相對(duì)較低的工作電壓（2 V 至3 V），但其集成優(yōu)勢(shì)非常有吸引力。GaAs 擁有微波頻率和5 V 至7 V 的工作電壓，多年來一直廣泛應(yīng)用于功率放大器。硅基LDMOS 技術(shù)的工作電壓為28 V，已經(jīng)在電信領(lǐng)域使用了許多年，但其主要在4 GHz 以下頻率發(fā)揮作用，因此在寬帶應(yīng)用中的使用并不廣泛。而新興GaN 技術(shù)的工作電壓為28 V 至50V，擁有低損耗、高熱傳導(dǎo)基板（如碳化硅，SiC），開啟了一系列全新的可能應(yīng)用。對(duì)微波相關(guān)半導(dǎo)體技術(shù)，ADI 無疑選擇了“ 全面開花”——無論是GaN 還是GaAs 或者是SiGe 等半導(dǎo)體材料，ADI 都有相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品推出，如HMC994/998/907/797APM5E 系列GaAs 類的PA 產(chǎn)品，最大的特點(diǎn)是可以從0 Hz 到30 GHz的信號(hào)和帶寬放大。ADI 利用GaN 技術(shù)生產(chǎn)高度差異化的射頻和微波功率放大器，這使ADI 的產(chǎn)品能夠達(dá)到更高的輸出功率水平，提高效率，并擴(kuò)展頻率帶寬。HMC1099PM5E 和HMC8205 就是兩個(gè)很好的例子。

3 展望6G

業(yè)界普遍將100 GHz 以上的太赫茲頻段視為6G 最可能使用的工作頻段。相比于毫米波，太赫茲頻段頻率更高、通信容量更大，具有傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)和易于實(shí)現(xiàn)通信探測(cè)一體化等特點(diǎn)，并且是電磁波譜中唯一尚待開發(fā)的新頻段，頻譜資源極為豐富。借助太赫茲頻段大帶寬特性，足以支持6G 所需超高傳輸速率和超大傳輸容量的能力。此外，未來的6G 網(wǎng)絡(luò)將是一個(gè)地面無線與衛(wèi)星通信集成的天地一體化全連接世界，通過將衛(wèi)星通信整合到6G 移動(dòng)通信，實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋。

ADI 射頻微波產(chǎn)品提供業(yè)界廣泛的能力以及深厚的系統(tǒng)設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)，包括面向DC 到100 GHz 以上應(yīng)用的完整“波束至比特”產(chǎn)品系列。同時(shí)，ADI 的高性能信號(hào)鏈產(chǎn)品在全球航空航天市場(chǎng)一直處于比較領(lǐng)先的地位，對(duì)于商用衛(wèi)星也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。相信隨著6G 的研究和推進(jìn)，ADI 將繼續(xù)在該領(lǐng)域扮演關(guān)鍵技術(shù)賦能者角色。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年6月期）